3. METODOLOGIA
3.5. Sobre a montagem de reator a membrana
O princípio básico do reator a membrana está associado ao fenômeno de difusão de gases em elementos sólidos permeáveis possibilitando o processo de separação entre gases. O funcionamento lembra os princípios de filtragem, no entanto, no caso de permeação em mem- branas sólidas compostos por óxidos, o mecanismo de difusão é o princípio predominante no processo de separação.
Pode-se dividir o sistema operacional do reator a membrana em três setores distintos: o primeiro setor é caracterizado pelo controle de entrada dos gases reagentes e inertes, o segundo setor consiste no reator propriamente dito e o terceiro setor está associado aos instrumentos analíticos do sistema.
A parte inicial é caracterizado por possuir um sistema de controle de vazão dos gases reagentes, bem como válvulas e indicadores de pressão. Para a configuração de entrada de rea- gentes, foram escolhidos 06 (seis) gases os quais estão apresentados na Tabela 3.1.
Tabela 3.1: Gases participantes do sistema operacional do reator a membrana e suas funcionalidades.
GÁS DESCRIÇÃO DO USO
Hidrogênio Usado como gás de referência no cromatógrafo
Ar sintético Usado como reagente e também no sistema pneumático de aciona- mento de válvulas do cromatógrafo
Oxigênio Reagente oxidante
Argônio Gás inerte usado para diluir os reagentes Hélio Gás de arraste usado na coluna cromatográfica
Os gases foram acondicionados em cilindros de 10m³ e armazenados em local adequado, tubulações de ¼” de aço inox foram usados para conectar os cilindros de gases até as válvulas de controle assim como todas as tubulações utilizadas na montagem do sistema foram de diâ- metro ¼” feito de aço inox. O painel de válvulas presente no primeiro setor do sistema possui as válvulas de controle de pressão, bem como as válvulas de controle de vazão de entrada de gases e indicadores que informa o valor de pressão na entrada e na saída do reator. A Figura 3.3 apresenta a representação da parte de entrada dos gases e com os elementos descritos acima.
Figura 3.3: (a) ilustração do painel de válvulas de pressão e (b) ilustração do painel de válvulas de controle.
O sistema possui duas válvulas de controle de vazão que possui interface computacional, isto é, pode-se configurar a vazão de cada controlador via software, as válvulas mencionadas controlam a vazão dos gases de entrada do topo do reator, ou seja, uma válvula controla a vazão do metano e a outra controla a vazão do argônio. A precisão no controle dessas vazões é reque- rida devida ao rigoroso controle da concentração de metano na entrada do reator. Essa variável
As válvulas que controlam a vazão dos gases da base do reator são manuais sem nenhum tipo de automação, não necessidade de rigor no controle da vazão da base, apenas há a preocu- pação de manutenção da pressão do sistema. Os gases hidrogênio e hélio são apenas para con- sumo e funcionamento do cromatógrafo, os mesmos não participam como reagentes. O hidro- gênio é o gás de referência aos detectores e hélio é o gás usado no transporte das amostras pela coluna cromatográfica, também é chamada de gás de arraste.
A segunda parte do sistema operacional do reator a membrana consiste em um reator de aço refratário constituído de dois tubos concêntricos interligados por uma membrana sob forma de disco de diâmetro em torno de 13mm. A espessura da membrana poderá variar entre 1 e 2mm dependendo da resistência mecânica do material. O tubo externo possui diâmetro de 14 mm e comprimento total entre 30 e 40cm. O tubo interno possui diâmetro de 3mm e compri- mento entre 20 e 25cm.
Figura 3.4: Esquema do fluxo de gases no interior do reator.
O tubo concêntrico externo é composto de duas partes que se conectam através de ros- queamento entre si, a parte inferior do tudo externo suporta o disco da membrana na extremi- dade superior fixado através de um selante organometálico, de tal forma que quando as duas partes do tudo externo são conectadas, a membrana fica fixada ao centro do comprimento total
Gás inerte + metano CG Gás pobre em O2 Membrana Gás rico em O2 Reator Tubo externo Forno Tubo internor superior Tubo interno inferior
do tubo. O tubo concêntrico interno também é composto por duas partes, no entanto as extre- midades do tubo interno ficam localizadas entre a membrana e, portanto, não são conectadas A parte inferior do tubo interno permite a passagem do ar sintético ou oxigênio, dependendo da configuração, até a membrana, enquanto que a parte superior do tubo interno permite a entrada da mistura de hidrocarboneto e inerte.
Tanto na base quanto no topo do reator há entrada e saída de gases. Na base entra gases ricos em oxigênio, como o ar sintético ou mesmo o próprio oxigênio puro, após a transferência de oxigênio para o topo do reator através da permeação pela membrana, os gases agora pobres em oxigênio saem também pela base podendo ser analisados pelo cromatógrafo. No topo do reator entra o hidrocarboneto (metano) mais o gás inerte (argônio), essa mistura então entra em contato com o oxigênio permeado com o intuito de promover a reação de oxidação parcial do metano. Os gases resultantes da reação saem também pelo topo do reator para serem analisados no cromatógrafo.
Figura 3.5: Ilustração representativa do sistema operacional do reator a membrana.
Os gases do topo e da base são mantidos sob um gradiente de pressão para favorecer a difusão do gás oxigênio através da membrana, ou seja, a pressão na base do reator deverá ser
maior que a pressão no topo. Há um limite de aplicação do gradiente de pressão devido à resis- tência mecânica da membrana, podemos chamar de gradiente de ruptura a diferença máxima entre as pressões da base e do topo do reator em que a membrana pode suportar antes de romper. O sistema operacional do reator também é composto por um forno tubular vertical Carbolite VST-1200 com controle de temperatura ao qual envolve o reator.
A terceira parte do sistema consiste de um cromatógrafo Varian 3800 CG equipado com controladores TCD (Thermal Condutivity Detector) e FID (Flame Ionizatoin Detector) e aco- plado sistema de aquisição de dados via computador. Os gases resultantes da reação são direci- onados para a entrada analítica do cromatógrafo, tanto o TCD quanto o FID podem ser utiliza- dos para fazer a detecção dos gases. Para os gases de saída da base do reator, apenas está dis- ponível o TCD, a configuração para análise dos gases está sujeita a composição do gás a ser analisado. Os dois detectores podem analisar ao mesmo tempo, ou seja, pode-se monitorar a composição de saída do topo e da base juntos.
A coluna cromatográfica é específica para cada tipo de mistura de gases, quando se analisa a corrente de saída do topo, normalmente, utiliza-se uma coluna capilar devido a quan- tidade de compostos gerados na reação, por outro lado, na corrente de saída da base pode ser usada uma coluna empacotada. Como já foi dito, a configuração dependerá dos gases a serem detectados. As informações advindas dos detectores são enviadas e interpretadas pelo software
Star Workstation versão 6.41, o mesmo permite configurar o tempo de injeção de amostras para
análise, bem como inserir o tempo de retenção de cada gás na coluna cromatográfica.
A montagem do sistema foi concluída durante o período do doutorado e a configuração final pode ser visualizada na Figura 3.5.